AC/DC Module

Zur rechnergestützten Modellierung von Elektromagnetik

AC/DC Module

Transientes Modell eines Einphasen- Transformators mit E-Kern, der von einer nichtlinearen Magnetisierungskurve im Kern beschrieben wird. Im Graph werden das elektromagnetische Feld und der Strom in den Primär- und Sekundärwindungen dargestellt.

Modellieren von Kondensatoren, Induktoren, Isolatoren, Spulen, Motoren und Sensoren

Mit dem AC/DC Module werden elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder in statischen und Niederfrequenzanwendungen simuliert. Das Modul eignet sich insbesondere zur Analyse von Kondensatoren, Induktoren, Isolatoren, Spulen, Motoren, Aktoren und Sensoren. Es verfügt über spezielle Werkzeuge zur Berechnung von Parametern wie Widerstand, Kapazität, Induktivität, Impedanz, Kraft und Drehmoment.

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Materialien und konstitutive Beziehungen werden mithilfe von Permittivität, Permeabilität, Leitfähigkeit und remanenten Feldern definiert. Materialeigenschaften können räumlich variieren, zeitabhängig sein, anisotrop sein und mit Verlusten behaftet sein. Sowohl elektrische als auch magnetische Medien dürfen Nichtlinearitäten aufweisen, wie z. B. Magnetisierungskurven, und sie können sogar durch implizit angegebene Gleichungen beschrieben werden.

Kombinieren von Schaltungen und Layouts mit 2D- und 3D-Simulationen

Wenn Ihre elektrischen Komponenten als Teil eines größeren Systems betrachtet werden, bietet das das AC/DC Module eine Schnittstelle zu SPICE-Schaltungslisten, in denen Sie Schaltungselemente zur weiteren Modellierung auswählen. Sie können die schaltungsbasierte Modellierung auf komplexere Systemmodelle anwenden, wobei für wichtige Bauteile der Schaltung die Verknüpfungen mit dem eigentlichen FEM-Modell erhalten bleiben. Dies ermöglicht eine effektive Entwicklung und Designoptimierung auf System- und Schaltungsebene. Elektronische Layouts können über das ECAD Import Module zur Analyse in das AC/DC Module importiert werden. Die Simulation der Layouts ist nicht auf elektromagnetische Eigenschaften beschränkt.

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Weitere Bilder

  • PERMANENTMAGNETE: Mit diesem Modell wird das statische Feld eines Permanentmagnet-Rotors mit einem nach außen gerichteten Fluss nachgebildet. Dieser Magnetrotor wird auch als Halbach-Rotor bezeichnet. Permanentmagnete werden aufgrund des kontakt- und reibungslosen Betriebs immer häufiger in Maschinen mit rotierenden Komponenten eingesetzt, wie Motoren, Generatoren und Magnetgetriebe. Dieses Modell illustriert die Berechnung des magnetischen Feldes eines 4-Polpaar-Rotors in 3D, indem unter Verwendung der Symmetrie nur ein Pol des Rotors modelliert wird. PERMANENTMAGNETE: Mit diesem Modell wird das statische Feld eines Permanentmagnet-Rotors mit einem nach außen gerichteten Fluss nachgebildet. Dieser Magnetrotor wird auch als Halbach-Rotor bezeichnet. Permanentmagnete werden aufgrund des kontakt- und reibungslosen Betriebs immer häufiger in Maschinen mit rotierenden Komponenten eingesetzt, wie Motoren, Generatoren und Magnetgetriebe. Dieses Modell illustriert die Berechnung des magnetischen Feldes eines 4-Polpaar-Rotors in 3D, indem unter Verwendung der Symmetrie nur ein Pol des Rotors modelliert wird.
  • ECAD-IMPORT: Das AC/DC Module  ermöglicht die Berechnung der Kapazität und Induktivität bei einem planaren Transformatormodell, das als ECAD-Datei importiert wurde. Solche Transformatoren werden in Netzteilen und Gleichspannungswandlern eingesetzt, die kompakt und gleichzeitig leistungsfähig sein müssen. Das gesamte Layout, einschließlich der Grundfläche des Transformator-Ferritkerns, wird aus einer ODB++(X)-Datei importiert. Mit dem ECAD Import Module wird das Layout eingelesen und automatisch ein 3D-Geometriemodell der Leiterplatte und des Ferritkerns erstellt. ECAD-IMPORT: Das AC/DC Module ermöglicht die Berechnung der Kapazität und Induktivität bei einem planaren Transformatormodell, das als ECAD-Datei importiert wurde. Solche Transformatoren werden in Netzteilen und Gleichspannungswandlern eingesetzt, die kompakt und gleichzeitig leistungsfähig sein müssen. Das gesamte Layout, einschließlich der Grundfläche des Transformator-Ferritkerns, wird aus einer ODB++(X)-Datei importiert. Mit dem ECAD Import Module wird das Layout eingelesen und automatisch ein 3D-Geometriemodell der Leiterplatte und des Ferritkerns erstellt.
  • HALBLEITER-FERTIGUNG: Ein Suszeptor aus Grafit wird durch Induktion erwärmt. Das Modell zeigt die Temperaturverteilung im Suszeptor und auf dem Quarzrohr. HALBLEITER-FERTIGUNG: Ein Suszeptor aus Grafit wird durch Induktion erwärmt. Das Modell zeigt die Temperaturverteilung im Suszeptor und auf dem Quarzrohr.
  • MEDIZINTECHNIK: Simulation des elektromagnetischen Feldes in einem Hochspannungsgenerator eines Röntgengeräts. Modell mit freundlicher Genehmigung von Comet AG, Schweiz. MEDIZINTECHNIK: Simulation des elektromagnetischen Feldes in einem Hochspannungsgenerator eines Röntgengeräts. Modell mit freundlicher Genehmigung von Comet AG, Schweiz.
  • MASSENSPEKTROMETRIE: Das AC/DC Module im Zusammenspiel mit dem Particle Tracing Module. Die Darstellung zeigt die Trajektorie von Ionen mit einem bestimmten Ladung-zu-Masse-Verhältnis in einem Quadrupol-Massenspektrometer. MASSENSPEKTROMETRIE: Das AC/DC Module im Zusammenspiel mit dem Particle Tracing Module. Die Darstellung zeigt die Trajektorie von Ionen mit einem bestimmten Ladung-zu-Masse-Verhältnis in einem Quadrupol-Massenspektrometer.
  • ELEKTRISCHE MASCHINEN: Ein Gleichstrommotor mit Bürsten, der mit der neuen 3D-Benutzeroberfläche für rotierende Maschinen simuliert wurde. Hier dargestellt: B-Feld, Spulenstrom, axiales Drehmoment und Drehwinkel. ELEKTRISCHE MASCHINEN: Ein Gleichstrommotor mit Bürsten, der mit der neuen 3D-Benutzeroberfläche für rotierende Maschinen simuliert wurde. Hier dargestellt: B-Feld, Spulenstrom, axiales Drehmoment und Drehwinkel.

Verbinden mit CAD, MATLAB® und Excel®

Zur einfachen Analyse der elektromagnetischen Eigenschaften von CAD-Modellen hat COMSOL das ECAD Import Module, das CAD Import Module und LiveLink-Produkte für führende CAD-Systeme in seine Produktreihe aufgenommen. Die LiveLink-Produkte ermöglichen die Steuerung der geometrischen Größen aus COMSOL Multiphysics® heraus, während das parametrische CAD-Modell in seiner systemeigenen Umgebung intakt bleibt. Zusätzlich können simultan parametrische Sweeps über mehrere Modellparameter erzeugt werden. Sie können sich wiederholende Modellierungsaufgaben mit LiveLink for MATLAB® erledigen, indem Sie COMSOL®-Simulationen mit MATLAB®-Skripts oder -Funktionen ausführen. Jede in COMSOL Desktop® verfügbare Funktion kann alternativ über MATLAB-Befehle ausgeführt werden. Sie können auch COMSOL-Befehle innerhalb der MATLAB-Umgebung mit Ihrem vorhandenen MATLAB-Code kombinieren. Für elektromagnetische Simulationen, die mittels Tabellen ausgeführt werden, bietet LiveLink for Excel® eine praktische Alternative für die Modellierung über den COMSOL Desktop, indem Tabellendaten mit Parametern, die in der COMSOL-Umgebung definiert wurden, synchronisiert werden.

Datenbank nicht linearer magnetischer Materialien

Eine Datenbank mit 165 ferromagnetischen und ferrimagnetischen Werkstoffen ist in das AC/DC Module aufgenommen worden. Die Datenbank enthält BH-Kurven und HB-Kurven, damit die Materialeigenschaften in den Magnetfeldformeln verwendet werden können. Die Kurvendaten sind dicht ausgelesen und wurden so verarbeitet, dass Hysterese-Effekte ausgeschaltet sind. Außerhalb des experimentellen Datenbereichs wird eine maximale numerische Stabilität durch lineare Extrapolation erzielt.

Berücksichtigen Sie multiphysikalische Eigenschaften bei der Entwicklung Ihres Designs

Bestimmte elektrische Komponenten können im Wesentlichen durch ihre elektromagnetischen Eigenschaften charakterisiert werden. Sie werden jedoch auch von anderen physikalischen Effekten beeinflusst. Beispielsweise müssen thermische Effekte berücksichtigt werden, die die elektrischen Eigenschaften eines Materials ändern können, oder elektromechanische Ablenkungen und Vibrationen in einem Generator müssen während der Entwicklungsphase gründlich analysiert werden. Das nahtlos in die COMSOL-Umgebung integrierte AC/DC Module ermöglicht Ihnen die Berücksichtigung einer Vielzahl von physikalischen Effekten bei der Erstellung eines virtuellen Modells.

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Randbedingungen und infinite Elemente

Das AC/DC Module ermöglicht Ihnen die Definition wichtiger Randbedingungen, z. B. für das elektrische und magnetische Potenzial, die elektrische und magnetische Isolierung, Ladungsfreiheit sowie für Feld- und Stromwerte. Zusätzlich ermöglicht das Modul die Festlegung von zahlreichen erweiterten Randbedingungen. Dazu zählen Bedingungen für Anschlüsse für Verbindungen mit SPICE-Schaltungen, Bedingungen für Floatingpotenziale, Symmetrie und Periodizität, Oberflächenimpedanz, Oberflächenströme, verteilter Widerstand, Kapazität, Impedanz und Kontaktwiderstand. Zur Erstellung von unbegrenzten oder großen Modellierungsgebieten stehen infinite Elemente zur Verfügung, und zwar sowohl für elektrische als auch für magnetische Felder. Wenn eine Schicht infiniter Elemente an der Außenseite eines endlichen Modellierungsgebiets hinzugefügt wird, werden die Feldgleichungen automatisch skaliert. Hierdurch können unendliche Gebiete durch Modelle mit endlicher Größe gebildet werden, wobei künstliche Abschneidungseffekte aufgrund von Modellrändern vermieden werden.

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Elektromagnetische Schalenelemente

Das AC/DC Module bietet für sehr dünne Strukturen eine Reihe von speziellen Formulierungen. Diese ermöglichen eine effiziente Simulation von Elektromagnetik für Strukturen, bei denen die Dicke nicht als physikalische Dicke im Geometriemodell angegeben werden muss, sondern durch ein Schalenelement definiert werden kann. Die Formulierung mit Schalenelementen ist für die Simulation von Gleichströmen, Elektrostatik, Magnetostatik und Induktion verfügbar. Sie spielt insbesondere bei der elektromagnetischen Abschirmung zur Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit und zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen eine wichtige Rolle.

Konsistenter Arbeitsablauf bei Elektromagnetikmodellen

Im Modul werden die folgenden einfachen Arbeitsschritte ausgeführt: Definition der Geometrie, Auswahl der Materialien, Auswahl einer geeigneten AC/DC-Schnittstelle, Definition von Rand- und Anfangsbedingungen, automatische Erzeugung des Finite-Elemente-Netzes und Berechnung und Visualisierung der Ergebnisse. Alle diese Schritte werden über den COMSOL Desktop® ausgeführt. Simulationen mit dem AC/DC Module können in jeder denkbaren Weise durch vordefinierte multiphysikalische Kopplungen oder durch benutzerdefinierte Kopplungen mit jedem COMSOL-Produkt verknüpft werden. Beispielsweise können das AC/DC Module und das Particle Tracing Module mit einer vordefinierten Kopplung verbunden werden, um die Auswirkungen von elektrischen oder magnetischen Feldern auf geladene Partikel zu untersuchen. Dabei kann den Partikeln eine Masse zugewiesen werden oder sie können masselos sein. Das Optimization Module kann mit dem AC/DC Module kombiniert werden, um Erregerspannung und -strom, Materialeigenschaften, geometrische Größen und weitere Werte zu optimieren.

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Flexibel und stabil

Das AC/DC Module unterstützt stationäre und dynamische elektrische und magnetische Felder, sowohl in 2D als auch in 3D. Weiterhin formuliert und löst das Modul Maxwellsche Gleichungen unter Berücksichtigung von Materialeigenschaften und Randbedingungen. Die Gleichungen werden mit leistungsfähigen Solvern mittels der Finite-Elemente-Methode und einer numerisch stabilen Randelement-Diskretisierung gelöst. Die verschiedenen Formulierungen ermöglichen statische Simulationen sowie Frequenz- und Zeitbereichssimulationen. Die Ergebnisse werden im Grafikfenster dargestellt. Hier stehen vordefinierte Plots von elektrischen und magnetischen Feldern, Strömen und Spannungen zu Verfügung, aber auch Plots von frei definierbaren Ausdrücken der physikalischen Größen und abgeleiteten Tabellenwerten.

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Current Transformer Design That Combines Finite Element Analysis and Electric Circuit Simulation

Upgrading the Nuts and Bolts of the Electrical Grid for a New Generation

MRI Tumor-Tracked Cancer Treatment

Lightning-Proof Wind Turbines

Dielectric Stress Simulation Advances Design of ABB Smart Grid-Ready Tap Changers

Simulation of Magnetic Flux Leakage Inspection

Control of Joule Heating Extends Performance and Device Life

Switching Made Easy

Multiphysics Simulation Helps Miele to Optimize Induction Stove Designs

How Reclosers Ensure a Steady Supply of Power: It’s All in the Magnet

Simulation-Based Design of New Implantable Hearing Device

Multiphysics Simulations Help Track Underground Fluid Movements

Multiphysics Software, a Versatile, Cost-Effective R&D Tool at Sharp

Reduced-Weight Reaction Sphere Makes Way for Extra Satellite Payload

Modeling Scar Effects in Electrical Spinal Cord Stimulation

E-core Transformer Using Multi-Turn Coil Domains

The Magnetic Field from a Permanent Magnet

Modeling of a 3D Inductor

Inductor in an Amplifier Circuit

Mutual Inductance and Induced Currents in a Multi-Turn Coil

Electron Beam Diverging Due to Self Potential

A Tunable MEMS Capacitor

Inductive Heating of a Copper Cylinder